DE3307000A1

DE3307000A1 - Verfahren zur herstellung eines verbundmetallkoerpers

Info

Publication number: DE3307000A1
Application number: DE19833307000
Authority: DE
Inventors: Takashi Nagoya Aichi Onda; Akira Sakamoto
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1983-02-17
Filing date: 1983-02-28
Publication date: 1984-09-06
Also published as: FR2541152A1; SE8300821D0; SE451550B; SE8300821L; DE3307000C2; FR2541152B1

Description

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Henkel, Pfenning, Feiler,HänzelÄMeinig·*"·' "--"-^:-- "·· ·· Patentanwälte

— 7 - European Patent Attorneys

Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt

Dr. phil. G Henkel. München Dipl.-lng J Pfenning. Berlin Dr. rer. nat. L. Feiler, München Dipl.-lng W. Hänzel, München

Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha Dipl-Phys. K. H. Meinig Berlin

Dr. Ing. A. Butenschön, Berlin

Tokio, Japan

Möhlstraße 37

D-8000 München 80

Tel.: 089/982085-87 Telex 0529802 hnkld Telegramme ellipsoid

2591

28.Τβϋ. Ϊ983

Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetallkörpers

ι .3- 28. Feb. 1983

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten bzw. Verbundmetallkörpers

_ aus mehreren Metallschichten und mit einem komplexen ο

Profil oder mit Öffnungen und Nuten in seinem Innenbereich .

Die Verbindung mehrerer Metallelemente aus gleichen

j« oder verschiedenen -Metallen erfolgt üblicherweise durch Löten, Diffusionsverbindung und dgl.. Beim. Löten muß jedoch ein vorbestimmter Abstand von.im allgemeinen 0,02 - 0,08 mm zwischen den Metallelementen aufrechterhalten werden. Dieses Verfahren

«ε ist daher bei Bauteilen, bei denen die Einhaltung dieses Abstands schwierig ist, nicht anwendbar, z.B. bei großen Teilen, Teilen mit einer gekrümmten oder gewölbten Verbindungsfläche oder bei der Verbindung eines Metallblechteils einerseits mit einem maschinell bearbeiteten Teil andererseits. Beim Diffusionsverbindungsverfahren müssen normalerweise die Teile während der Beaufschlagung mit Druck auf einer hohen Temperatur gehalten werdenj demzufolge ist die Form der zu verbindenden Teile Beschränkungen unterworfen.

Da zudem die Druckbeaufschlagung bei hoher Temperatur erfolgen muß, entsteht in den Teilen eine Verformung von mehr als einigen wenigen Prozentenj dieses Verfahren ist daher nicht für Teile brauchbar,.für die eine große Fertigungsgenauigkeit gefordert wird.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines Verbundmetallkörpers der eingangs angegebenen Art, bei dem eine Verformung bzw. ein Verziehen der Metall(bau)teile vermieden werden soll,

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetallkörpers erfindungsgemäß

dadurch gelöst, daß ein Metallpulver in einen zwischen mehreren Metallteilen aus demselben Metall oderaus unterschiedlichen Metallen oder einen zwischen diesen Metallteilen und einer Form oder einem Kern(stab) festgelegten Hohlraum eingefüllt und anschließend das Metallpulver mit der Schmelze eines Metalls, das einen niedrigeren Schmelzpunkt besitzt als Metallteil(e), Form, Kern(zapfen) und Metallpulver, durchtränkt (impregnated) wird.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetallkörpers, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Metallpulver in einen

zwischen mehreren Metallteilen aus demselben Metall Io

oder aus unterschiedlichen Metallen oder zwischen diesen Metallteilen und einer Form oder einem KernCstab) festgelegten Hohlraum eingefüllt wird, anschließend das Metallpulver mit der Schmelze eines

__ft Metalls, das einen niedrigeren Schmelzpunkt besitzt als Metallteil(e), Form, Kern(zapfen) und Metallpulver, durchtränkt (impregnated) wird und hierauf Metallpulver und Metallschmelze in einem erwärmten Zustand gehalten werden, um sie gegenseitig ineinander

_o_ diffundieren zu lassen und dabei in diesem Bereich eine gleichmäßige Legierungsschicht auszubilden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt zur Veranschaulichung

eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig.1, 35

Fig. 3 einen Längsschnitt zur Veranschaulichung eines anderen Ausführungsbeispiels,

3-

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in

Fig. 3,

Fig. 5 eine (schematische) Seitenansicht eines

Innenabschnitts einer Regenerativkühlung-Brennkammer eines· Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerks,

Fig. B einen Schnitt längs der Linie VI-VI in

Fig.5,

Fig. 7 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Ausschnitt aus dem Bereich VII in Fig. 6,

Fig. B eine Längsschnittansicht zur Darstellung der Herstellung einer Brennkammer gemäß Fig. 5 nach dem erfindungsgemäßen Ver-. fahren,

Fig. 9 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Teilschnitt längs der Linie IX-IX in Fig. 8, · Λ

Fig. 10 einen Längsschnitt durch einen unter denselben Bedingungen wie in Fig. B und 9 hergestellten Prüfling,

Fig. 11 einen Längsschnitt zur Veranschaulichung

der Herstellung eines Aufnahmekonus (receiver cone) für ein Starttriebwerk nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie XII-XII in

Fig. 11 und

Fig. 13 einen Längsschnitt durch einen aus einer

Innen- und einer Außenschicht bestehenden Metallkörper, auf den das erfindungsgemäße

_e Verfahren angewandt ist.

Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei sind kegelstumpfförmige hohle Metallteile 1 und 2,

m ein Metallpulver 3, ein Schmelzmetall 4, Formen (moulds) 5 und 6 sowie Kerne (Kernstäbe) 7 dargestellt. Die beiden Metallteile 1 und 2 sowie eine große Zahl von Kernen 7 werden auf die in Fig. 1 und 2 gezeigte Weise zwischen die Formen 5 und B unter Bildung eines

je Hohlraums zwischen den Metallteilen 1 und 2 eingesetzt. Sodann wird der Hohlraum mit dem Metallpulver 3 gefüllt, das anschließend mit der Schmelze 4 eines Metalls mit niedrigerem Schmelzpunkt als dem der Metallteile 1 und 2, des Metallpulvers 3., der Formen 5 und 6 sowie der Kerne 7 imprägniert bzw. durchtränkt wird. Auf diese Weise wird ein Verbundmetallkörper aus den Metallteilen 1 und 2 sowie einer Metallschicht 3, 4 hergestellt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Metallschmelze 4 normalerweise unter ihrem Eigengewicht sowie aufgrund einer Kapillarwirkung zwischen den Teilchen des Metallpulvers 3 (durch die Anordnung) hindurchdringt. Falls jedoch die Innenflächen der Metallteile 1 und 2 eine komplexe Form besitzen oder die Gefahr besteht, daß eine mangelhafte Durchtränkung (impregnation) oder Schrumpflunkerbildung im Metallpulver 3 auftreten könnte, kann die Metallschmelze auch unter Druck durch die Anordnung hindurchgetrieben werden.

Gemäß den Fig. 3 und 4 wird bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein zylindrischer Metallteil 1 so auf eine Form 5 aufgesetzt, daß zwischen beiden ein Hohlraum entsteht. Sodann wird

ein Metallpulver 3 in den Hohlraum eingefüllt, worauf das Metallpulver mit einer Schmelze 4 eines Metalls . mit niedrigerem Schmelzpunkt als dem des Metallteils 1, des Metallpulvers 3 und der Form 5 durchtränkt und auf diese Weise ein Verbundmetallkörper aus dem Metallteil 1 und einer Metallschicht 3, 4 hergestellt wird.

Im folgenden ist die Erfindung anhand praktischer Beispiele beschrieben, und zwar in Anwendung auf eine regenerativ gekühlte Brennkammer eines Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerks einer komplexen Konfiguration bzw. Form, wobei ein an die Brennkammer anschließender Abschnitt aus sauerstofffreiem Kupfer und ein Außenabschnitt aus rostfreiem Stahl (Typ SUS 347] bestehen, während weiterhin ein Innenschichtabschnitt mit Kühlmitteldurchgängen versehen ist, die von flüssigem Wasserstoff oder Sauerstoff durchströmbar sind. Bei. der Herstellung dieses Verbundmetallkörpers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird gemäß den Fig. 5 bis 7 ein an seiner Außenumfangsflache mit einer großen Zahl von Nuten 1a versehenes Element 1 aus sauerstoffflrelem Kupfer vorgesehen. Ein getrenntes, aus rostfreiem Stahl bestehendes Element 2 (Fig. 8 und 9) besitzt eine dem Element 1 angepaßte Form. Die Nuten la des ersten Elements 1 werden mit einem aüfge-' schlämmten Füllstoff 8 aus Keramikpulver, wasserlöslichem Salz und Wasser ausgefüllt. Der Füllstoff B wird durch zweistündiges Erwärmen und Trocknen bei 400 C ausgehärtet, worauf die beiden Elemente 1 und 2 unter Festlegung eines Hohlraums zwischen ihnen auf eine Form(platte) 5 gemäß Fig. 8 aufgesetzt werden und danach das aus getrennten Abschnitten bestehende Element 2 zusammengeschweißt wird. Hierauf wird ein kugelförmiges Metallpulver 3 einer Teilchengröße von etwa 0,175 - 0,124 mm (BO - 120 meshes)

in den Hohlraum eingefüllt. Sodann wird ein aus 58,5% Ag, 31,5% Cu und 10% Pd bestehendes Metall 4 (Festphasen- oder Soliduslinie etwa 825°C und" Flüssigphasen- oder Liquiduslinie von etwa 85O⁰C) auf das Metallpulver 3 aufgesetzt und durch Erwärmung auf 880 C und Aufrechterhaltung dieser Temperatur im Vakuum aufgeschmolzen. Die Schmelze des Metalls

JO 4 durchdringt dabei unter Erzeugung einer Legierung das Metallpulver 3 vollkommen, so daß die betreffenden Teile einwandfrei (einheitlich) miteinander verbunden werden. Anschließend wird der Keramik-Füllstoff 8 durch Auswaschen mit heißem Wasser entfernt, so daß Kühlkanäle gebildet werden.

Fig. 10 veranschaulicht einen Prüfling, der durch Verbinden eines aus sauerstofffreiem Kupfer bestehenden Metallstücks 1 und eines Metallstücks 2 aus rostfreiem Stahl unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen hergestellt wurde. Bei einem Zugf estigceitsversuch brach zwar das aus dem genannten Kupfer bestehende Metallstück 1, während jedoch die Grenzfläche zwischen diesem Metallstück 1 und der Legierungsscnicht 3, 4, die letztere sowie die Grenzfläche zwischen der Legierungsschicht 3, 4 und dem Metallstück 2 aus rostfreiem Stahl weder Bruch noch Riß- bi ldung zeigten. Hierdurch wird bestätigt, daß die Festigkeit dieser Bereiche größer ist als diejenige des Kupfer-Metallstücks 1.

Im folgenden ist anhand der Fig. 11 und 12 die versuchsweise Herstellung eines Modells eines Aufnehmerkonus (receiver cone) eines Starttriebwerks beschrieben. Ein dünnes (0,5 mm dickes) Blech 1 aus Inconel 625 (Nennzusammensetzung: 22% Cr, 9% Mo, 4% Nb, 3% Fe, 0,2% Ti, 0,2% Ali Rest Ni) sowie Rohre 2 aus demselben Metallwerkstoff werden zu einer

Blechschweißkonstruktion zusarnmengeschweißt. Sodann wird reines Kupferpulver 3 einer Teilchengröße von etwa 0,175 - 0,124 mm (BO - 120 meshes] in dichter Füllung in den zwischen dem Blech 1 und den Rohren gebildeten Hohlraum eingefüllt. Danach wird eine ■ eutektische Ag-Cu-Legierung 4 (eutektische Temperatur; 779°C) auf die Anordnung aufgebracht und im Vakuum auf BIO⁰C erwärmt. Dabei wird ein Verbundmetallkorper

' mit einer Anzahl von Rohren (Bohrungen) 2 und einem Außenmantel aus I neon el- 625 erhalten. In diesem Fall wurde durch Untersuchung des metallurgischen .Plikrogefüges eines Querschnitts festgestellt, daß die Eindringung der eutektischen Ag-Cu-Legierung in das Kupferpulver so vollkommen ist, daß die Grenzflächen zwischen dem eingedrungenen Werkstoff (Legierung) einerseits sowie Rohren und Außenmantel andererseits vollkommen verbunden und die Elemente der Anordnung zu einer Einheit zusammengesetzt (integriert) sind.

Im folgenden ist anhand von Fig. 13 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, erläutert. Ein aus reinem Kupferblech einer Dicke von 1 mm bestehender zylindrischer Behälter 1 wird mit einem aus reinem Aluminium bestehenden, körnigen (granular) Pulver 3 einer Teilchengröße von etwa 0,147 - 0,074 mm (100 - 200 meshes) gefüllt, worauf eine Schmelzmetall-Form B und eine eutektische Al-Si-Legierung 4 (eutektische Temperatur: 57 7 C) mit. einem auf letzterer aufliegenden Druckwerkzeug 9 auf den Behälter 1 aufgesetzt werden. Anschließend wird die Anordnung zum Aufschmelzen der eutektischen Al-Si-Legierung 4 auf 600 C erwärmt, und die Legierung 4 wird mittels des Druckwerkzeugs 9 mit einem Druck beaufschlagt. Dabei wird ein Verbundmetallkörper erhalten, der einen AuBenmantel aus Kupfer und einen Innenbereich aus Aluminiumlegierung aufweist. In diesem Fall wurde

ι -Jo-

ebenfalls durch Untersuchung des metallurgischen · Mikrogefüges eines Querschnitts festgestellt, daß sich an der Grenzfläche zwischen Kupfer und Aluminiumlegierung eine Legierungsschicht durch gegenseitige Diffusion von Kupfer und Aluminiumlegierung gebildet hat, während in den anderen Bereichen eine Legierungsschicht aus Aluminiumpulver und eutektischer Al-Si-IQ Legierung vorliegtj die betreffenden Abschnitte sind dabei einwandfrei einheitlich miteinander verbunden. Der hergestellte Verbundmetallkörper besitzt niedriges Gewicht und ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die Kerne 7, die Form der-Metallteile 1 und 2, ihre Werkstoffe, das Metallpulver 3 und das Schmelzmetall 4 von Form und Funktion des herzustellenden Verbundmetallkörpers abhängen und nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt sind. Wenn für den Metallteil 1 beispielsweise eine Titanlegierung, als Metallpulver 3 ein Aluminiumlegierungspulver und als Schmelzmetall 4 ein Metall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als denen des Metallteils 1 und des Metallpulvers 3 verwendet werden, wird ein Verbundmetallkörper mit einer Außenschale aus Titanlegierung und einem Innenbereich aus Aluminiumlegierung erhalten. Bei Verwendung von rostfreiem Stahl für den Metallteil 1, Eisenpulver als Metallpulver 3 und Gußeisen [Grauguß) als Schmelzmetall 4 erhält man einen Verbundmetallkörper mit einer Außenschale aus rostfreiem Stahl, dessen Innenbereich aus niedrig legiertem Stahl besteht. Wenn in diesem Fall die Anordnung so erwärmt wird, daß das geschmolzene Gußeisen [Grauguß) in das Eisenpulver eindringt, diffundiert der im Gußeisen enthaltene Kohlenstoff in das Eisenpulver, so daß eine durch Senkung des Kohlenstoffgehalts im Gußeisen hervorgerufene isothermische Erstarrung auftritt und

infolge der gegenseitigen Diffusion der Bestandteile beider Werkstoffe der Innenbereich des Verbundmetallkörper gleichmäßig in niedriglegierten Stahl überführt wird. Die beschriebene gleichmäßige Legierungsbildung aufgrund der isothermischen Erstarrung des Innenbereichs ist in den meisten Fällen erzielbar, sofern für das Metallpulver 3 und das Schmelzmetall 4 Werkstoffe derselben Reihe bzw. Art (series) verwendet werden.

Obgleich die Erfindung vorstehend in bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben ist, ist sie keineswegs hierauf beschränkt, sondern verschiedenen weiteren Abwandlungen und Änderungen zugänglich.

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Claims

Patentansprüche

Vi)

Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetallkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallpulver in einen zwischen mehreren Metallteilen
aus demselben Metall oder aus unterschiedlichen
Metallen oder einen zwischen diesen Metallteilen und einer Form oder einem Kern(stab) festgelegten Hohlraum eingefüllt und anschließend das. Metallpulver mit der Schmelze eines Metalls, das einen niedrigeren Schmelzpunkt besitzt als Matalltei1(e), Form, Kern(zapfen) und Metallpulver, durchtränkt (impregnated) wird.
2. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmetallkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallpulver in einen zwischen mehreren Metallteilen aus demselben Metall oder aus unterschiedlichen Metallen oder zwischen diesen Metallteilen und einer Form oder einem Kern(stab) festgelegten Hohlraum eingefüllt wird, anschließend das Metallpulver mit der Schmelze eines Metalls, das einen niedrigeren Schmelz-.punkt besitzt als Metallteil(e), Form, Kernt zapf en·) und Metallpulver, durchtränkt (impregnated) wird und hierauf Metallpulver und-Metallschmelze in
einem erwärmten Zustand gehalten werden, um sie
gegenseitig ineinander diffundieren zu lassen und dabei in diesem Bereich eine gleichmäßige Legierungsschicht auszubilden.